Коагуляция примесей воды - Статья

Примеси, обусловливающие мутность и цветность природных вод, попадают в воду из атмосферы при выпадении осадков, из почв и грунтов с которыми соприкасается вода, отличаются малыми размерами, вследствие чего их осаждение происходит крайне медленно, значительная часть примесей может находиться в коллоидном состоянии. Наличие примесей коллоидного характера осложняет процесс седиментации, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Устойчивость частиц примесей обеспечивается отрицательным электрическим зарядом на поверхности, благодаря которому частицы отталкиваются друг от друга.

Если очистка воды от тяжелых грубодисперсных примесей (ГДП) принципиально может быть осуществлена под действием силы тяжести обычным отстаиванием, продолжительность которого определяется размером и удельной массой частиц (таблица), то коллоидные примеси за счет их особого свойства (агрегативной устойчивости) могут быть выделены из воды только методом коагуляции. В процессе коагуляции коллоидные частицы теряют свою устойчивость за счет нейтрализации сил, удерживающих частицы от слипания.

Таблица - Продолжительность осаждения различных частиц в слое воды высотой 1 м

Материал или организм Диаметр частицы, мм Время осаждения Материал или организм Диаметр частицы, мм Время осаждения

Гравий 10 1 с Глина 0.01 2 часа

Песок 1 10 с Бактерии 0.001 8 суток

Мелкий песок 0.1 2 мин Частица коллоидного размера 0.0001 2 года

Агрегативная устойчивость примесей воды обусловлена наличием вокруг частиц гидратных оболочек или двойного электрического слоя. Гидратация представляет собой процесс взаимодействия воды с частицами путем адсорбции, т.е. поглощения молекул воды поверхностным слоем. При улучшении качества воды наиболее часто решается задача коагулирования гидрофильных и гидрофобных примесей.

В природных водах гидрофильные примеси в основном представлены органическими веществами они придают воде цветность. Гидрофильные коллоиды реагируют с водой, на их поверхности удерживается значительное количество воды в виде гидратной оболочки, обусловленное наличием поверхностных полярных групп, таких, как -ОН, -СООН и др., которые водорастворимы. Они и удерживают вокруг частицы гидратную оболочку. Находясь в тепловом броуновском движении, гидрофильные частицы диффундируют вместе с гидратной оболочкой. Гидрофильные частицы несут обычно небольшие электрические заряды и, как правило, под влиянием электролитов коагулируют. Важным моментом при очистке воды является то, что гидрофильные примеси могут вступать в химическую реакцию с коагулянтом в процессе очистки воды, отсюда следует, что при наличии гидрофильных коллоидов коагулянта требуется больше.

Частицы ила, глины, пылевидные песчинки и подобные им взвешенные частицы природных вод являются гидрофобными примесями. Они не вступают во взаимодействие с водой и почти лишены гидратных оболочек, но имеют двойной электрический слой и несут значительные электрические заряды. Ликвидация или уменьшение электрического заряда частиц приводит к нарушению их агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей. Как правило, гидрофобные частицы имеют кристаллическую структуру и большую удельную поверхность, на которой адсорбируются присутствующие в воде ионы. Характерно, что все частицы данного вещества сорбируют преимущественно ионы одного знака, снижающие свободную поверхностную энергию гидрофобных частиц. Этими ионами являются обычно ионы, входящие в состав вещества частицы либо близкие к ним по свойствам и размерам.

Между коллоидными примесями воды существуют молекулярные силы взаимного притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Если частицы сближаются на расстояние действия этих сил, то силы взаимного притяжения объединяют коллоидные частицы в одну. Однако такому сближению препятствует силы - наличие на поверхности коллоидных частиц двойного электрического слоя и гидратных оболочек. Наличие гидратных оболочек делает коллоидные системы агрегативно устойчивыми (Рисунок 1). Для того чтобы коллоидные частицы сблизились на расстояние действия сил Ван-дер-Ваальса необходимо разрушить их гидратные оболочки - у гидрофильных примесей, и (или) уменьшить толщину двойного электрического поля - у гидрофобных.

Рисунок 1 - Схема коагуляционной структуры: 1 - частицы коллоидно-дисперсной фазы;

2 - дестабилизированные участки поверхности;

3 - участки поверхности, сохраняющие устойчивость;

4 - полости, заполненные водой; 5 - грубодисперсная примесь

В реальных условиях для характеристики коллоидной системы требуется лишь определение природы коллоидных частиц и величины их заряда. От величины заряда коллоидной частицы, на рисунке показан в виде окружающего частицу слоя, зависит расстояние, на которое коллоидные частицы могут приближаться друг к другу.